Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à définir les groupes, les périodes et les blocs, et à lier les propriétés des éléments à leurs positions dans le tableau périodique.
Toute la matière est composée de substances chimiques. Il y a des millions de produits chimiques connus et ils sont tous fabriqués à partir de différentes combinaisons d’environ 118 éléments, dont seulement la moitié compose la plupart des choses que nous voyons autour de nous.
Les éléments font l’objet de recherches depuis plusieurs siècles, et les scientifiques les ont classés sous la forme de classification périodique des éléments, qu’on appelle aussi « tableau périodique ».
Le tableau périodique est très utile aux chimistes. Les éléments y sont listés dans un ordre très spécifique, en lignes et colonnes. La position de chaque élément sur le tableau périodique nous donne beaucoup d’informations sur cet élément particulier.
Il y a 18 colonnes verticales appelées groupes ; vous pouvez voir les groupes 1 et 2 ainsi que les groupes de 13 à 18 en chiffres romains dans certaines versions du tableau périodique. Les 7 lignes horizontales sont appelées les périodes. Les deux lignes inférieures, en vert et violet, s’insèrent dans les espaces verts et violets des périodes 6 et 7 du tableau principal.
Définition : Groupes
Les groupes sont les colonnes, verticales, du tableau périodique.
Définition : Périodes
Les périodes sont les lignes, horizontales, du tableau périodique.
À température ambiante, tous les éléments se trouvent sous forme solide, à l’exception des éléments indiqués en orange et en bleu. Les éléments en orange sont des liquides à température ambiante (298 K ou ). Ce sont les éléments suivants :
- (brome),
- (mercure).
Les éléments en bleu sont des gaz à température ambiante. Ce sont les éléments suivants :
- (hydrogène),
- (azote),
- (oxygène),
- (fluor),
- (chlore),
- tous les éléments du groupe 18.
Les éléments encadrés en rouge sont synthétisés artificiellement en laboratoire, par exemple (technétium) dans le groupe 7. Tous les autres éléments sont naturels, bien que certains ne se trouvent que dans de très petites quantités dans la nature.
Le tableau périodique peut être divisé en blocs.
Les blocs sont les blocs s, d, p et f. Le bloc dans lequel se trouve un élément est lié à la disposition des électrons les plus externes de ses atomes.
La plupart des éléments du bloc d sont également appelés « éléments de transition », à l’exception de la dernière colonne du bloc d qui contient les éléments zinc (), cadmium (), mercure () et copernicium ().
Les éléments du bloc f sont aussi appelés « éléments de transition internes ».
La majorité des éléments sont des métaux, certains sont des non-métaux, et quelques-uns sont ce qu’on appelle les métalloïdes. Le tableau ci-dessous rappelle certaines des propriétés générales des métaux et des non-métaux et donne les propriétés des métalloïdes. Les métalloïdes sont des éléments qui manifestent à la fois des propriétés de métaux et de non-métaux. Cependant, nous devons nous rappeler que ce sont des propriétés générales et qu’il y a quelques exceptions ; par exemple, le graphite est un non-métal mais c’est un excellent conducteur électrique.
| Quelques propriétés des métaux, des non-métaux et des métalloïdes | ||
|---|---|---|
| Métaux | Non-métaux | Métalloïdes |
| Sont de bons conducteurs de chaleur et d’électricité | Sont de mauvais conducteurs de chaleur et d’électricité | Sont de moyens conducteurs de chaleur et d’électricité (semi-conducteurs) |
| Malléables : peuvent être martelés en feuilles minces | Cassants : se brisent lorsqu’ils sont martelés et ne peuvent pas être transformés en feuilles minces | Cassants : la plupart se brisent lorsqu’ils sont martelés et ne peuvent pas être transformés en feuilles minces |
| Ductiles : peuvent être étirés en fils minces | Ne peuvent pas être transformés en fils minces | Ne peuvent pas être transformés en fils minces |
| Brillants lorsque les surfaces sont propres | Ternes | Brillants pour certains |
Dans la version suivante du tableau périodique, nous pouvons voir à quelle catégorie appartient chaque élément, d’après les propriétés physiques de celui-ci.
Les métalloïdes sont représentés en bleu et forment des « marches » distinctes qui commencent en haut du groupe 13 et descendent en diagonale vers la droite.
Les métalloïdes sont les éléments suivants :
- bore (),
- silicium (),
- germanium (),
- arsenic (),
- antimoine (),
- tellure ().
On sait peu de choses sur les éléments entourés en rouge, car ils ont été fabriqués artificiellement en très petites quantités. Nous pourrions prédire qu’ils se comportent soit comme des métaux, soit comme des non-métaux, comme indiqué par les couleurs, mais les scientifiques ne font pas l’unanimité quant aux propriétés de ces éléments. Nous devons également être conscients que certains tableaux périodiques ont des différences mineures en ce qui concerne les éléments considérés comme des métalloïdes.
Certains groupes et périodes ont des noms spéciaux. Ces noms sont indiqués sur le schéma suivant.
Ces noms sont donnés en raison de la manière dont un ensemble d’éléments réagit. Par exemple, les métaux du groupe 1 réagissent tous de la même manière avec l’eau : ils produisent des solutions alcalines d’hydroxydes. C’est pourquoi on les appelle les métaux alcalins. Les métaux du groupe 2 sont appelés les métaux alcalino-terreux. Au milieu du tableau périodique se trouvent huit éléments, représentés en rouge, appelés les métaux nobles. Un autre exemple est celui des éléments du groupe 18 qui se trouvent tous sous forme d’atomes individuels, non liés à d’autres atomes, et sont généralement stables et non réactifs. Ils sont appelés les gaz nobles, ou gaz rares. Tous les éléments encadrés en rose sont les métaux de transition. Les métaux de transition comprennent les deux lignes du bas, en vert et violet, qui sont respectivement connues sous les noms de lanthanides et d’actinides.
Exemple 1: Identifier les métaux alcalino-terreux
Lequel des éléments suivants est un métal alcalino-terreux ?
- Lithium
- Rubidium
- Strontium
- Yttrium
- Scandium
Réponse
Les métaux du groupe 2 du tableau périodique sont appelés les « métaux alcalino-terreux ». Les éléments du groupe 2 sont le béryllium (), magnésium (), le calcium (), le strontium (), le baryum () et le radium (). Le seul élément de cette liste qui correspond à une des réponses possibles est le strontium. Ainsi, la réponse correcte est l’option C, strontium.
Le lithium () se trouve dans le groupe 1, celui des métaux alcalins. Le rubidium () est également un métal alcalin. L’yttrium () et le scandium () appartiennent au groupe 3.
Le schéma ci-dessous est une version plus détaillée du tableau périodique contenant des informations spécifiques sur les atomes de chaque élément. C’est cette version du tableau périodique qu’on trouve le plus souvent dans les livres ou Internet.
Un atome est la plus petite particule d’un élément. Un atome contient habituellement un ou plusieurs protons de charge positive et des neutrons neutres, dans le noyau, et un ou plusieurs électrons de charge négative, qui se trouvent dans les orbitales à l’extérieur du noyau central.
Définition : Atome
Un atome est la plus petite particule d’un élément, contenant des protons de charge positive et des neutrons neutres dans le noyau, et des électrons de charge négative.
Les atomes sont des particules électriquement neutres, avec le même nombre de protons de charge positive et d’électrons de charge négative.
Regardons de plus près l’élément lithium, par exemple, pour comprendre les informations données par le tableau périodique.
Le symbole chimique de l’élément lithium est grand L et petit i. Chaque élément a un symbole chimique différent.
Les éléments sont listés dans le tableau périodique, de gauche à droite, dans l’ordre de leur numéro atomique. Le numéro atomique correspond au nombre de protons dans le noyau (le centre) d’un atome. Le numéro atomique du lithium est 3 car il y a 3 protons dans le noyau.
Définition : Numéro atomique
Le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau d’un atome.
Exemple 2: Rappeler le principe d’organisation du tableau périodique
Selon quelle propriété les éléments du tableau périodique moderne sont-ils organisés de gauche à droite ?
Réponse
Dans le tableau périodique, les éléments sont organisés de gauche à droite par ordre croissant de leur numéro atomique. Le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau d’un atome d’un élément.
Le nombre de protons dans le noyau d’un atome est unique à chaque élément. Peu importe qu’on parle d’un atome de sodium ou d’un ion de sodium ; il y aura toujours 11 protons dans le noyau. Seul l’élément sodium a des atomes ayant 11 protons dans leur noyau. S’il y avait 10 protons, ce ne serait pas un atome de sodium ; ce serait un atome de néon. Et s’il y avait 12 protons, ce ne serait pas un atome de sodium ; ce serait un atome de magnésium.
Lorsqu’un atome d’un élément réagit avec un atome d’un autre élément, soit il perd un ou plusieurs électrons, soit il gagne un ou plusieurs électrons, soit il partage des électrons avec l’autre atome. On peut utiliser le tableau périodique pour obtenir des informations sur le nombre d’électrons perdus ou gagnés.
Le groupe dans lequel se trouve un élément indique le nombre d’électrons qu’un atome de cet élément gagnera ou perdra lorsqu’il réagira avec un autre atome.
En général, ce qui suit est vrai.
- Les métaux, quand ils réagissent, ont tendance à perdre des électrons ; ils ont alors plus de protons que d’électrons et forment donc des ions de charge positive :
- Les non-métaux, quand ils réagissent, ont tendance à gagner des électrons ; ils ont alors plus d’électrons que de protons et forment donc des ions de charge négative :
Définition : Ions
Un ion est un atome (ou une molécule) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons et qui a donc une charge nette négative ou positive, respectivement.
Le nombre spécifique d’électrons perdus par un métal ou gagnés par un non-métal est souvent lié au groupe spécifique dans lequel se trouve l’élément. Autrement dit, le numéro du groupe nous donne des informations sur le nombre d’électrons perdus ou gagnés par un atome d’un élément lorsqu’il réagit.
La valence est le nombre d’électrons perdus ou gagnés par un atome lorsqu’il réagit, et elle correspond au nombre de liaisons covalentes que cet atome peut former.
Les valences des différents éléments sont indiquées dans le tableau périodique ci-dessous.
- Les métaux du groupe 1 ont tendance à perdre 1 électron lorsqu’ils réagissent. L’hydrogène fait également partie de ce groupe, et bien qu’il ne soit pas un métal, il réagit de la même manière. Les éléments du groupe 1 ont des propriétés chimiques similaires en raison de cette tendance commune.
- Les éléments du groupe 2 perdent 2 électrons pour former des ions de charge .
- Les éléments du groupe 13 perdent 3 électrons pour former des ions de charge .
- Les éléments du groupe 14 peuvent perdre ou gagner 4 électrons, et les éléments des groupes 15 et 16 ont tendance à gagner respectivement 3 et 2 électrons. Cependant, dans certains cas, les éléments des groupes 14, 15 et 16 ne perdent ni ne gagnent d’électrons, mais ils partagent des électrons avec d’autres atomes pour former des liaisons covalentes.
- Les éléments du groupe 17, quand ils réagissent, gagnent 1 électron et forment des ions de charge .
- Les éléments du groupe 18 ne réagissent généralement pas, et ils ne gagnent ni ne perdent d’électrons.
Exemple 3: Relier le numéro de groupe à la charge d’un ion
Le soufre appartient au groupe 16. Quelle est la charge de l’anion sulfure ?
Réponse
Les éléments du groupe 16 ont tendance à gagner 2 électrons quand ils réagissent avec d’autres éléments et forment des ions de charge négative avec une charge de . Donc, l’atome de soufre gagne 2 électrons pour former l’anion sulfure dont le symbole est . (Les éléments de ce groupe forment parfois des liaisons covalentes avec certains éléments, où des électrons sont partagés.)
La connaissance de la valence des éléments nous aide à comprendre et à prédire les formules chimiques mettant en jeu un métal lié à un non-métal.
Par exemple, lorsqu’un métal du groupe 1, tel que le lithium, réagit avec le chlore, un non-métal du groupe 17, on peut facilement déterminer la formule chimique du produit. Le lithium perd 1 électron pendant la réaction et forme . Le chlore gagne 1 électron (provenant du lithium) et forme . Les charges sont égales et opposées et le produit est le chlorure de lithium de formule , qu’on peut simplement écrire :
Un autre exemple est celui où le magnésium dans le groupe 2 réagit avec le brome dans le groupe 17. Le magnésium perd 2 électrons pour devenir et deux atomes de brome gagnent chacun 1 électron (provenant du magnésium) pour former deux ions . Le produit est le bromure de magnésium de formule . On peut écrire cela simplement :
Exemple 4: Relier le numéro de groupe à l’indice dans une formule ionique
Considère l’équation ci-dessous :
Dans lequel des groupes suivants pourrait se trouver ?
- Groupe 17
- Groupe 2
- Groupe 13
- Groupe 15
Réponse
Le composé contient du chlore. Le chlore est dans le groupe 17 et il a donc une valence de 1 et forme un ion quand il réagit. Il y a six ions de chlore dans ce composé et donc six charges négatives.
Ce composé est électriquement neutre dans l’ensemble, donc « » doit porter six charges positives pour compenser les six charges négatives de « ».
On peut diviser les 6 charges positives par 2, puisqu’il y a deux ions . Cela nous donne la charge d’un seul ion .
Chaque ion est donc . Par conséquent, doit appartenir au groupe 13, puisque lors de réactions, les éléments du groupe 13 ont une valence de 3 et ils ont donc tendance à perdre 3 électrons et former des ions de charge 3+.
La bonne réponse est donc C, groupe 13.
Points clés
- Le tableau périodique est organisé en 18 colonnes appelées groupes et 7 lignes appelées périodes.
- À température ambiante, la plupart des éléments sont des solides, deux sont des liquides et quelques-uns sont des gaz.
- La plupart des éléments sont d’origine naturelle, et quelques-uns sont synthétisés artificiellement.
- La plupart des éléments sont des métaux, certains sont des non-métaux, et d’autres sont des métalloïdes.
- Les métaux sont séparés des non-métaux par une disposition « en escalier » des métalloïdes.
- Certains groupes ont des noms spéciaux en fonction de la réactivité de leurs éléments.
- Chaque élément possède un symbole unique.
- Les éléments sont listés de gauche à droite dans le tableau périodique par ordre croissant de numéro atomique.
- Le tableau périodique peut être divisé en blocs s, p, d et f.
- Le numéro atomique est le nombre de protons dans le noyau ou le centre d’un atome.
- Un atome est la plus petite particule d’un élément, contenant des protons de charge positive et des neutrons neutres dans le noyau, et des électrons de charge négative. Les atomes contiennent un nombre égal de protons et d’électrons et sont électriquement neutres.
- Les ions sont des particules qui contiennent un nombre inégal de protons et d’électrons et qui ont donc une charge électrostatique.
- Les métaux, quand ils réagissent, ont tendance à perdre des électrons et forment donc des cations de charge positive.
- Les non-métaux, quand ils réagissent, ont tendance à gagner des électrons et forment donc des anions de charge négative.
- La valence est le nombre d’électrons perdus ou gagnés par un atome lorsqu’il réagit. Les éléments d’un même groupe ont la même valence.
- Les éléments des groupes 14, 15 et 16 forment parfois des liaisons covalentes où les électrons sont partagés entre deux atomes.
